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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Interferometrie an prismatischen Körpern

Arbeitsgruppe 5.44

 

Weiterentwicklung von interferentiellen Endmaß-Komparatoren

Umstellung des Kösters-Komparators auf Phasenverschiebungsinterferometrie

Herzstück eines Interferenzkomparators vom so genannten "Kösters-Typ" ist das Kösters-Prisma, welches den Strahlenverlauf zusammenfaltet. Dadurch ist der Komparator, verglichen mit "normalen" Interferenzkomparatoren (Twyman-Green Interferometern) sehr kompakt aufgebaut. Einsatzzweck ist die primäre Kalibrierung von Endmaßen bis 1 m.

Bild 1 zeigt ein Schema des "alten" Kösters-Komparators mit visueller Interferenz-
auswertung. Eingezeichnet ist, neben den bereits seit den 90-gern verwendeten Lasern, eine Cadmiumlampe, aus deren Spektrum bestimmte Linien selektiert werden konnten. Durch eine gezielte Justage der Interferenzstreifen im Gesichtsfeld einer Vakuumkammer mittels (leichter) Veränderung des Luftdruckes im Inneren des Komparators war es möglich, die Wellenlänge des Lichtes in Luft auf die Vakuumwellenlänge "zurückzuführen". Aus diesem Grund wurde der Kösters-Komparator auch "Vakuumwellenlängenkomparator" genannt.



Bild 1


Bei der Umstellung auf Phasenverschiebungsinterferometrie (Bild 2) wurde die visuelle Beobachtung durch eine 12-bit Kamera ersetzt. Aus fünf Intensitätsbildern wird ein Phasenbild berechnet, welches eine (neu eingesetzte) Vakuumkammer und die Interferenz im Bereich des Endmaßes beinhaltet. Die einzelnen Bilder unterscheiden sich dadurch, dass sie zueinander äquidistant phasenverschoben sind.
Zur Phasenverschiebung werden drehbar gelagerte Keilplatten aus Quarz benutzt, wobei der (sehr kleine) Drehwinkel mittels servo-gesteuerten Piezo-Aktuatoren eingestellt wird.




Bild 2


Das massive Aluminiumgehäuse des Kösters-Komparators wird von allen Seiten (neu: einschließlich Deckel) mit Wasser durchflutet, welches extern temperiert wird. Dadurch wird eine sehr gute Homogenität der Temperaturverteilung erreicht.
Weiterhin ist es möglich, bestimmte Temperaturen einzustellen. Die Messung der Temperatur findet zum einen am Endmaß selbst und zum anderen in Luft statt. Besonders bei der Messung von Endmaßen aus Stahl ist eine sehr genaue Temperaturmessung notwendig, da schon eine Temperaturänderung von nur 1 mK eine Längenänderung von ca. 11 nm pro Meter hervorruft. Durch den Einsatz einer Wechselstrom-Messbrücke (F18) mit gekapseltem pt25 -Temperaturfühler wird im Komparator ein sehr genauer Temperatur-Bezugspunkt geschaffen (ITS 90).
Die (geringe) Differenz zum Endmaß- Luftfühler wird mit einem speziell entwickelten Thermoelement-Messsystem gemessen. Insgesamt wird eine Unsicherheit von nur ca. 1 mK erreicht.


Bild 3 zeigt ein Beispiel für Messungen an einem 1 m Endmaß aus Stahl.
Dargestellt ist die Differenz zur Länge bei 20 °C in µm bei verschiedenen Temperaturen (rote Datenpunkte, unten). Die durchgezogene Kurve, unten, stellt einen Fit 2-ten Grades dar. Bild 3, oben, zeigt die Abweichung der Daten vom Fit, welche jeweils nur wenige nm beträgt. Aus solchen Messungen lässt sich der (temperaturabhängige) thermische Ausdehnungskoeffizient langer Endmaße sehr genau bestimmen.




Bild 3



Ausgewählte Veröffentlichungen zu diesen Themen:

  • Decker, J. E.; Schödel, R.; Bönsch, G.:
    "Considerations for the evaluation of measurement uncertainty in interferometric gauge block calibration applying methods of phase step interferometry", Metrologia, 41, L11-L17 (2004)


  • Decker, J. E.; Schödel, R.; Bönsch, G.:
    "Next generation Kösters Interferometer", Proc. of SPIE 5190, 14-23 (2003)


  • Bönsch, G.; Schuster, H. J.; Schödel, R.:
    "Hochgenaue Temperaturmessung mit Thermoelementen", Technisches Messen 68, 550-557 (2001)


  • Darnedde, H.:
    "High-precision Calibration of Long Gauge Blocks Using the Vacuum Wavelength Comparator" Metrologia 29, 349-359 (1992)

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